几何实体模型生成网格模型PPT课件.ppt

3 1定义单元属性 本章主要介绍由几何模型的网格划分生成有限元模型 另外介绍通过创建节点和单元直接生成有限元模型 建立几何模型后 就可以按以下步骤划分有限元网格 1 定义有限元模型中的单元属性 2 目标网格选项控制 3 网格划分 4 修改与优化有限元网格对于简单的模型 往往通过创建节点和单元 直接生成有限元模型 单元属性是指在划分网格以前必须指定的所分析对象的特征 这些特征包括单元类型 实常数 材料属性 横截面类型和单元坐标系 在生成节点和单元网格之前 必须定义合适的单元属性 只有Beam188和Beam189单元才需要定义单元的截面类型 对空间梁划分单元时 还需要指定方向关键点 3 1 1单元类型 3 1 1 1单元的名称及其组成为了适用不同分析问题的需要 ANSYS提供了近200种不同的单元类型 不同的单元类型适用于不同的分析类型 不同材料和不同几何类型 因此单元的正确选择至关重要 每一种单元都有固定的编号 单元名称由字符和编号数字组成 其中字符部分代表单元的组别符号 尾部的数字是单元的唯一标识号 如Beam3 Solid45通过单元名称可判断该单元适用范围及其形状 单元按维数分类 点单元 1D线单元 2D平面单元 3D立体单元 3 1 1 2典型的单元类型在结构分析中 结构的应力状态决定单元类型的选择 应当选择维数最低的单元去获得预期的结果 按单元形状分 点单元 一般用于简化的质点模型 表示质量单元 或用于创建控制节点 1D线单元 线单元由两个节点连接而成 通常用来分析简化的梁 管 杆 弹簧模型等 1 梁单元 Beam 用于梁构件 薄壁管件 C型截面构件 角钢等模型 2 杆单元 Link 用于弹簧 螺杆 预应力螺杆和桁架 3 弹簧单元 Spring 用于弹簧 螺杆或细长构件 或通过刚度等效代替复杂结构等模型 壳单元 壳 Shell 单元用于薄平板或曲面模型 采用壳单元的基本原则是每块面板的表面尺寸不低于其厚度的10倍 2D平面单元平面单元有三角形或四边形单元 有3节点 4节点 6节点 8节点等 一般用来进行平面分析或轴对称的截面分析 在ANSYS中 平面问题的几何模型必须建立在XY平面内 ANSYS提供平面应力 平面应变 轴对称结构等特性的单元 1 平面应力问题主要几何与力学特征是 Z向尺寸远小于X和Y方向上的尺寸 所有的载荷均作用在XY平面内 在Z轴上的应力 0 2 平面应变主要几何与力学特征是 Z向尺寸远大于X和Y方向上的尺寸且垂直于Z轴的横截面不变 所有的载荷均作用在XY平面内 在Z轴上的应变 0 3 轴对称问题主要几何与力学特征是 回转体 只有回转轴上的轴向载荷 周向位移 0 在ANSYS中 轴对称假定三维实体模型是由XY面内的横截面绕Y轴旋转360 形成的 管 圆锥 圆板 圆顶盖 圆盘等 对称轴必须和整体Y轴重合 不允许有负X坐标 X方向是径向 Y方向是轴向 Z方向是周向 3D实体单元 三维实体单元有四面体 六面体两种 节点数从4 20不等 适用于不同的分析类型和精度 3 1 1 3确定单元类型时应考虑的因素选择合适的单元类型后 还需进一步考虑单元的插值函数 形函数 的维数 即采用线性 二次或P 单元 线性单元和高阶单元之间的差别是线性单元只有角节点 而高阶单元还有边中点 线性单元的位移按线性变化 因此线性单元上的应变 应力是常数 二次单元假定位移是二阶变化的 因此单元上的应变 应力是线性变化的 P 单元的位移可以在2 8阶间选择 而且具有求解收敛精度自动控制功能 在许多情况下 同线性单元相比 采用高阶类型的单元可以得到更好的计算结果 每种单元的用法在ANSYS的帮助文档中都有详细的说明 进入帮助文档有2种方法 1 单击工具栏中的按钮 2 通过应用菜单Help进入 3 1 1 4定义单元类型 定义途径 必须在通用处理器PREP7 预处理器 中定义单元类型 命令 ET ITYPE Ename KOP1 KOP2 KOP3 KOP4 KOP5 KOP6 INOPRGUI MainMenu Preprocessor ElementType Add Edit Delete定义了单元类型后 ANSYS会自动生成一个与此单元类型对应的单元类型参考号 如果模型中定义了多种单元类型 则与这些单元类型相对应的类型参考号组成的表称为单元类型表 在创建实际单元时 直接创建单元或者划分网格 需要从单元类型表中为其分配一个类型参考号以选择对应的单元类型生成有限元模型 此处列出已经定义的单元类型 单元类型参考号 单元类别 单元编号名 新添加的两个单元类型 PLANE42 4结点四边形单元PLANE2 6结点三角形单元 注 beam 梁单元 Link 线单元 Solid 实体单元 Pipe 管单元 Shell 壳单元 许多单元有一些另外的选项 KEYOPTs 这些项用于控制单元刚度矩阵的生成 单元的输出和单元坐标系的选择等 KEYOPTs可以在定义单元类型时指定 对话框中的Options选项 3 1 2定义单元实常数 在计算单元矩阵时 有一些数据可能无法从节点坐标和材料特性得到 这时就需要定义单元实常数 实常数是某一单元的补称几何特征 因此 单元实常数是依赖单元类型的单元特性 并不是所有的单元类型都需要实常数 同一类型的不同单元可以有不同的实常数值 例如二维梁单元BEAM3的实常数 面积 AREA 惯性矩 IZZ 高度 HEIGHT 剪切变形常数 SHERZ 初始应变 ISTRAN 和单位长度质量 ADDMAS 等 对应于特定单元类型 每组实常数有一个参考号 与每组实常数对应的参考号组成的表称为实常数表 在创建单元 直接创建单元或者划分网格 时 可以为将要创建的单元分配实常数号 定义途径 Command R NSET R1 R2 R3 R4 R5 R6 MainMenu Preprocessor RealConstants Add Edit Delete 3 1 3定义材料特性 绝大多数单元类型都需要材料特性 根据应用的不同 材料特性指如下几种特性 线性或者非线性 弹性 各向同性 正交异性 或非弹性 不随温度变化或者随温度变化 像单元类型和单元实常数一样 每一组材料特性也有一个材料特性参考号 与材料特性组对应的材料特性参考号表称为材料属性表 在一个分析中 可能有多个材料特性组 对应模型中的多种材料 在创建单元时可以使用相关命令通过材料特性参考号来分配 其采用的材料特性组 定义材料属性 Command MP Lab MAT C0 C1 C2 C3 C4GUI MainMenu Preprocessor MaterialProps MaterialModels 弹性模量 泊松比 在材料属性对话框窗口的左边 同样用树型结构文件夹方式显示已经定义的参数的材料 默认的时候会有材料1 要添加 删除或者拷贝相近的材料 使用材料特性窗口的菜单命令 需要修改材料特性的时候 可以双击要修改的材料文件夹 选择其中所定义的特性 双击进行修改 3 1 4定义截面类型 对于用Beam188和beam189单元对梁进行网格划分 可以定义单元横截面 ANSYS提供了11种常用的截面类型 并允许用户自定义截面 用户可以从中选择与实际结构截面相近的截面类型或用截面自定义功能定义截面 3 1 4 1常用截面类型的定义命令 SECTYPE SECID Type Subtype Name REFINEKEY选择截面类型SECDATA VAL1 VAL2 VAL3 VAL9 VAL10定义截面几何数据SECOFFSET Location OFFSETY OFFSETZ CG Y CG Z SH Y SH Z指定单元节点在截面上的位置GUI MainMenu Preprocessor Sections Beam CommonSectns ANSYS会计算所定义的截面的几何特性 如截面面积 惯性矩 翘曲常数 扭转常数等 并输出到ANSYS的输出窗口 单击Preview 在图形窗口中显示所定义的截面 单击Meshview 在图形窗口中显示该截面的同时 显示截面上的网格 3 1 4 2用户自定义截面类型略3 1 4 3截面类型的删除 列表显示 图形显示与截面网格细化略 3 2划分网格 网格划分是建模中非常重要的一个环节 它将几何模型转化为由节点和单元构成的有限元模型 网格划分的好坏将直接影响到计算结果的准确性和计算速度 甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛 网格划分主要包含以下3个步骤 分配单元属性 包括单元类型 分配实常数或者截面属性 对有些单元类型 分配材料属性等 设定网格尺寸控制和网格形状 可选择的 由ANSYS确定单元尺寸通常比较合理 执行网格划分 3 2 1分配单元属性 完成单元属性定义后 在划分网格之前 用户要对几何模型各部分分配相应的单元属性 手动分配单元属性 1 分配关键点的单元属性当对关键点划分单元前 需要指定关键点的单元属性 命令 KATT MAT REAL TYPE ESYSGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes AllKeypointsGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes PickedKPs2 分配线的单元属性当对线划分单元前 需要指定线的单元属性 定义是否指定方向关键点 命令 LATT MAT REAL TYPE KB KE SECNUMGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes AllLinesGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes PickedLines3 分配面的单元属性当对面划分网格前 要指定面的单元属性 命令 AATT MAT REAL TYPE ESYSGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes AllAreasGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes PickedAreas 4 分配体的单元属性当对体划分网格前 要指定体的单元属性 命令 VATT MAT REAL TYPE ESYSGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes AllVolumesGUI MainMenu Preprocessor Meshing MeshAttributes PickedVolumes 默认单元属性通常的工作中 如果各个属性表 单元类型表 材料属性表以及实常数表 只包含一个条目 即只定义了一项材料属性 一个单元类型等 则在划分网格时可以不再为各个图元分配单元属性 ANSYS将唯一的表项生成默认单元属性 在生成网格时自动将默认单元属性分配给实体模型和单元 3 2 2设定网格尺寸 分配单元属性后 需要设定网格尺寸 ANSYS网格划分中有许多不同的单元尺寸控制方式 主要有 1 智能网格尺寸 SmartSizing 2 手动控制单元尺寸 给定单元边长 指定线上单元分割数注 划分网格后 还可以细化网格 3 2 3指定单元划分的形状 ANSYS中网格形状多种多样 单元形状可以通过命令 GUI或通过网格工具栏中的网格类型部分进行选择 命令 MOPT Lab ValueGUI MainMenu Prerocessor Meshing MesherOpts 见下页 单元的形状可以为三角形 triangle 四边形 quadrilateral 四面体 Tetrahedral 或者六面体 Hexahedral 形状 随着Mesh对象的类型 面 体 和网格类型 自由网格 映射网格 扫掠网格 不同而不同 如果Mesh对象是线或关键点 则形状选项无效 注 一般省略该步 即不特别指定 软件根据所设定的单元类型进行自动选择 在设定完单元属性和单元格大小和形状后 就可以开始给几何模型划分单元了 四面体网格 六面体网格 金字塔 棱锥 3 2 4自由网格划分与映射网格划分 基本的网格划分有两种 即自由网格 Free 划分和映射网格 Mapped 划分 一般说来映射网格往往比自由网格得到的结果更加精确 而且在求解时对CPU和内存的需求也相对低些 自由网格对于单元形状没有过高的限制 并且没有特定的准则 对实体模型无任何特殊要求 即使是不规则的 也可以进行自由网格划分 面自由网格可以是四边形 三角形或其混合单元 体自由网格只能是四面体 TET 映射网格对单元形状有限制 面映射网格可以是四边形 三角形 体映射网格只能是六面体 HEX 自由网格划分通过命令方式和GUI方式都可以进行自由网格划分 1 面的自由网格划分 自由网格可以是三角形或者是四边形单元组成 也可由两者混合组成 当面边界上总的单元划分数目为偶数时 面的自由网格将全部生成四边形网格 当单元划分数目为奇数时将可能生成三角形单元 2 体的自由网格 只能包含四面体单元 三棱锥 映射网格划分映射网格对于单元的形状有限制 映射网格划分要求面或者体有规则的形状 即必须满足一定的准则 映射网格在网格工具 MESHTOOL 中不能进行SmartSizing 智能划分 而需要通过局部网格尺寸控制的相关选项设定 如果要采用映射网格划分单元 则必须将模型生成具有一系列相当规则的体或面 映射网格划分后 形状规则 单元成排 面映射网格包括全部是四边形单元或者全部是三角形单元 面接受映射网格划分 必须满足以下条件 1 该面必须是三或四条边 2 面的对边必须设置为相同数目的单元划分数目 3 面如有三条边 则各边设置的单元划分数必须为偶数且相等 4 网格划分必须设置为映射网格 注 如果一个面多于四条边 原则上不能直接用映射网格划分 但可以进行技术处理 即可以用LCCAT 连接 或LCOMB 合并 命令使总边数减少到4条或3条 LCCAT生成的线在生成网格时必然会在交点处产生一个节点 而用LCOMB合并的线在两条线的交点处不一定会产生节点 3 2 4 1面的映射网格划分 自由网格划分和映射网格划分 1 利用合并操作 将多边形或不规则形状的相邻边线进行布尔相加操作 使几何模型成为 四边形 或 三角形 再进行映射网格划分 该 四边形 或 三角形 的边可以是曲线或折线 不规则形状或多边形面的映射网格划分技术 LCCAT 命令 LCOMB NL1 NL2 KEEPGUI MainMenu Preprocessor Modeling Operate Booleans Add Lines2 利用连线操作 将多边形或不规则形状的相邻边线进行连线操作 使几何模型成为 四边形 或 三角形 再进行映射网格划分 该 四边形 或 三角形 的边可以是曲线或折线 命令 LCCAT NL1 NL2GUI MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped Concatenate Lines LCCAT LCOMB 3 利用关键点确定基本体进行映射网格划分 这种方式提供了对多边面划分映射网格的简捷途径 不再需要连接或者合并线 只需拾取面边界上的三或四个关键点为顶点进行映射网格划分 命令 AMAP KP1 KP2 KP3 KP4GUI MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Areas Mapped ByConersGUI方式将弹出面拾取对话框 在拾取需要进行映射网格划分的面后 单击OK 进入关键点拾取对话框 在图形中拾取网格划分面上的3个或4个关键点 单击OK完成操作 则将所选取的关键点确定的三角形或四边形作为映射网格的基本形状进行映射网格划分 面映射网格划分值得注意之处 1 划分网格时在依附于线 面或者体上的关键点处将生成节点 因此一条线将至少有关键点同样多的单元划分数 程序不允许对这样的线用更少的划分数来指定其单元划分数 2 单元尺寸的定义是针对原始线的 连接线 LCCAT 并没有形成新的原始线 而合并线 LCOMB 形成了新的原始线 因此 对连接线只能对原始线分别定义单元划分数 对合并线可以直接指定单元划分数 使用合并线比连接线有优势 3 AMAP命令提供了不规则形状面的映射网格划分的最简单方式 4 在指定面边界线的单元划分数时 不必对所有线指定单元划分数 只需指定两条对边上的一条的划分数即可 ANSYS软件会自动将划分数传递到对边 3 2 4 2体的映射网格划分技术 要将体全部划分为六面体单元 体必须满足以下条件 1 体的外形应为块状 有六个面 楔形三棱柱 五个面 或者四面体 四个面 2 体的对边上必须划分相同的单元数 3 如果体是棱柱或四面体 三角形面边界上的单元划分数必须是偶数 总结 体要满足体的面数不多于6 同时体的各个边界面要满足对面进行映射网格划分的条件 技巧 当体有多余的面时 也需要减少围成体的面的个数以进行映射网格的划分 可以对面进行ACCT或AADD操作 连接生成的面也要满足进行面映射网格划分所要求的条件 因此连接面的边界线 即参与连接操作的源面的所有边界线 也需要连接起来 注意先连接面 再连接线 如果参与连接的源面只有四条边界线 此四条线都是原始线 则生成连接后的连接线操作会自动进行 命令 ACCATGUI Preprocessor Meshing Concatenate Aeras命令 AADDGUI Preprocessor Modeling Operate Booleans Add Aeras说明 AADD命令要求待连接的面在一个平面内 因此使用受限 连接Concatenate操作仅是网格划分的辅助工具 并非布尔操作 对连接生成的图元 包括线和面 不能做任何实体建模操作 删除图元除外 例如不能对连接线施加实体模型载荷 不能参与布尔运算 不能拷贝 拖拉 旋转等 也不能再用于另一个连接操作 ACCAT连接这两个面 网格工具提供了最常用的网格划分控制和最常用的网格划分操作外 还提供了快速划分网格的工具MeshTool命令 如下图所示 一旦打开了它 它就保持打开状态直到单击 Close 关闭它或离开预处理器 PREP7 为止 3 2 5快速网格划分 网格划分工具MeshTool 网格划分工具提供了如下功能 单元属性分配SmartSize控制 智能单元尺寸 局部网格尺寸控制网格生成控制 指单元形状和网格划分方式 局部细化网格控制以上功能的详细使用说明略 单元属性分配 智能网格划分控制 局部网格尺寸控制 局部细化网格控制 网格生成控制 分网对象 在进行体的网格划分时 还有一种特别也很有效的扫掠划分方式 对于一个已经建好但尚未划分网格的体 体扫掠操作将体的一个边界面网格 称为源面 沿目标面方向扫掠贯穿整个体 从而生成3D单元与节点 扫掠可以生成的3D单元有六面体单元 源面网格是四边形 楔形单元 源面网格是三角形 或二者兼有 源面网格由四边形 三角形混合网格组成 扫掠网格划分应具备的条件 1 确定有需要扫掠 VSWEEP 的体的个数 VSWEEP可对一个体 所有选择的体或体某一部分进行扫掠 2 确定体的拓扑能否进行扫掠 如果体内有空壳 源面与目标面不是相对面或体中有不穿过源面与目标面的孔 都会造成扫掠失败 因此要认准源面 目标面 3 2 6体的扫掠网格划分 3 已经定义了3D单元 下图所示 扫掠网格划分涉及 源面 目标面 决定扫掠方向 以及扫掠方向上划分的单元个数 源面 扫掠方向 扫掠方向上划分10段 目标面 选项设置 明确扫掠方向上单元层的数目 即扫掠方向上的单元划分数 可用如下四种方法中任意一种进行指定 指定单元尺寸 VSWEEP自动计算单元的层数 这是默认的设置方法 用EXPORT命令指定命令 EXPORT ESIZE Val1 Val2GUI Preprocessor Meshing Mesh VolumeSweep SweepOpts 2 扫掠网格划分的操作步骤 在无法扫掠完成网格划分的特殊位置 用四面体网格填充进行弥补 选择源面和目标面 扫掠方向上的分段数 扫掠网格划分的补充说明扫描网格划分选项设置完成后 利用SWEEP命令完成扫描 变截面扫描时 只有当截面的变化为线性变化才会得到最好的网格形状 SWEEP可以绕零半径轴进行扫掠 即源面和目标面相邻 不过此时应该指定源面和目标面 且指定的单元类型还必须支持楔形 否则扫掠可能不会成功 如下图所示 扫掠 GUI Preprocessor Meshing Mesh VolumeSweep Sweep 目标面 源面 扫掠方向 4 特殊图形的处理当划分网格的体不具备扫掠划分的条件时 可以将其剖分成多个规则体分别进行扫掠网格划分 如图 实体中有两个通孔 因此 将模型在适当位置剖分为两个体 然后在两个方向上进行扫掠网格划分 具体操作过程如下 定义体单元 如Solid95单元 用工作平面切分体成两部分 设置扫掠选项 单元边长Size 0 25 分两次扫掠 选择孔的两端面 一个为源面 一个为目标面 均沿孔的轴向扫掠 切分面 可以对面进行VROTAT 旋转 VOFFSET 偏移 VDARG 拖拉 VEXT 拉伸 操作生成体 如果对面划分了网格后再进行这些操作 可以在生成体的同时生成体的网格 将面沿某个轴旋转生成体Command VROTATGUI Preprocessor Modeling Operate Extrude AboutAxis将面沿其法向偏移生成体Command VOFFSETGUI Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas AlongNormal对面沿某个路径扫掠生成体Command VDRAGGUI Preprocessor Modeling Operate Extrude AlongLines在激活坐标系下对面进行延伸和缩放来生成体Command VEXTGUI Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas ByXYZOffset 3 2 7对面通过旋转 偏移 拖拉以及拉伸生成体及网格 若想通过对面旋转 偏移 拖拉 拉伸生成体及体网格 可以按以下步骤操作 1 定义单元类型 包括待操作的面网格所需的单元类型以及即将生成的体网格所需的单元类型 2 通过EXTOPT命令 或Preprocessor Modeling Operate Extrude ElemExtOpts 为待生成的体分配单元属性3 对待旋转 偏移 拖拉或拉伸的面划分网格4 指定在旋转 偏移 拖拉或拉伸的方向上单元划分数 NoElemdivs 5 执行相应的命令 生成体及网格 实例 六方孔螺钉头用扳手的体及网格生成几何参数为 截面形状 正六边形 截面宽 1cm 杆长 7 5cm 手柄长 20cm 弯曲半径 1cm 从实用菜单中选择Parameters AngularUnits命令设置ANSYS内部函数角度参数的单位为DegressDEG 度 1 为建立模型时的输入方便 设定单位制和一些参数 待定义的参变量如下表HIGH 0 01正六边形截面的高度L SIDE HIGH TAN 30 正六边形的边长L SHANK 0 075扳手杆短端长度L HANDLE 0 2扳手杆长端长度BENDRAD 0 01弯处半径L ELEM 0 0075单元边长NO DIV SIDE 2截面每边的单元划分数 从实用菜单中选择Parameters ScalarParameters命令 定义参数变量 即宏参定义 在Selection文本框中输入 high 0 01 不管输入时字母的大小写 ANSYS自动转换成大写 单击Accept 在在数据库中生成EXX变量 重复上述步骤 定义完全部参变量 单击close按钮关闭对话框 2 定义单元类型在进行有限元分析时 首先要根据分析问题的几何结构 分析类型和所分析的问题的精度要求等 选定适合分析实例的有限单元类型 本例中选用8结点实体单元Solid45 考虑到将要采用沿路径拉伸的方式建立模型和有限元网格 还需要定义二维单元类型 本例中采用Mesh200 此中单元类型划分网格生成的单元和结点在求解时是无效的 主菜单Preprocessor ElementType Add Edit Delete命令 单击Add按钮 将弹出LibraryofElementTypes 单元类型库 对话框 左边列表框中选择NotSolved选项 此类单元将不予求解 在右边的列表框中选择MeshFacet200选项 此单元类型可模拟ANSYS提供的大多数二维或者三维实体单元 单击Apply按钮 添加MESH200单元 然后左选Solid选项 右选Brick8node45选项 选择8结点六面体单元 即SOLID45 由于MESH200能够兼容ANSYS几乎所有的单元类型 因此需要对其进行设定 使其形状为二维4结点单元 选择Type1Mesh200项 然后单击按钮 Options 弹出MESH200elementtypeoptions设定对话框 在Elementshapeand ofnode 单元形状和结点 下拉列表框中选择QUAD4 NODE选项 即单元形状为4结点4边形 3 建立扳手模型本例采用沿路径拖拉的方式建立实体模型和有限元网格 因此首先建立扳手的截面 然后作出扳手的一条路径线 将截面沿此路径线拖拉生成扳手实体模型和网格 扳手截面为正六边形 可以采用自顶向下的思想 利用ANSYS提供的面元直接生成 Preprocessor Modeling Create Areas Polygon BySideLength 设定边数 6 边长 L SIDE 则生成正六边形以及6个关键点 创建截面拖拉路径上的关键点选择Preprocessor Modeling Create Keypoints InActiveCS命令 在激活坐标系分别创建下列点7 0 0 0 8 0 0 L SHANK 9 0 L HANDLE L SHANK 并从实用菜单中选择Plot Muti plots命令显示所有图元 且通过实用菜单中PlotCtrls PanRoomRotate对话框改变视角及大小 创建拖拉路径线从实用菜单中选择PlotCtrls Numbering命令 打开点编号和线编号显示控制开关 通过建立直线命令 依次拾取 或直接输入直线端点编号 7 8以及8 9端点生成直